苏州大学李孝峰课题组:微纳光伏器件光电热物理与耦合仿真
2017-12-07

苏州大学李孝峰课题组对微纳光伏器件中的光电、光热和热电转换问题进行了深入探索,并取得了新成果。研究团队量化了光伏系统中能量的分布,首次阐明了光伏系统中能量流动去向问题,开发了基于有限元算法的全耦合光电热仿真平台。基于微纳光伏器件的光电热耦合研究为光伏器件、光电热器件以及更广范围的器件的基础研究和设计提供了指导。

近年来,随着光伏技术的发展,新材料、新结构和新机制不断涌现,给高度微纳化的光伏器件的高精度设计带来了极大挑战。一方面,从先进陷光理论出发,虽然能够提高微纳光伏器件的光子吸收能力,但由于忽视了器件本身杂质、缺陷态和表面结构的影响,往往无法准确预测器件光生载流子的输运和实际光电流转换情况。另一方面,从光电层面进行设计,虽然能在一定程度上得到高吸收、高转化的微纳光伏器件,但仍未考虑器件的热稳定性,也就无法预测器件温度,进而不能全面了解器件的能量转换与守恒机制。在热学方面,光伏器件在光电转换的同时,还伴有热量产生,光电热转换的物理过程复杂而精妙。例如:光电流的输运不仅受到温度的调控,输运过程本身也伴随新光子的发射和热量的产生;光学、电学过程产生的热量在器件中传导并形成热电势,进一步影响光电流的输运。因此,掌握微纳光伏器件的光电/光热/热电转换机理及其三维高精度光电热仿真手段,对优化微纳光伏器件设计、精准预测器件稳定性具有重要意义。

苏州大学光电信息科学与工程学院李孝峰教授带领尚爱雪博士深入研究了微纳光伏器件中的光电、光热和热电转换问题。该研究从微纳光伏器件光电热基础理论出发,在光学层面,除了光学反射和透射的能量,材料吸收的光子能量一部分转换成光电流,另一部分能量由于热化作用,将载流子的过剩能量传递给晶格,使器件温度升高。光生载流子在器件中输运,辐射复合过程会伴随新光子的产生,非辐射复合(俄歇复合、SRH复合)过程伴随着复合热的产生。由于载流子运动过程中与晶格的碰撞,器件本身还会产生焦耳热。最后在器件边界由于表面复合和接触能级差会产生表面复合热和Peltier热。整个系统产生的热量在器件中传导,通过热对流和热辐射使系统达到平衡,并在器件内部形成温度场,影响光生载流子输运。

图1 砷化镓太阳电池中的能量密度分布(图片来源:Advanced Materials

以GaAs太阳能电池为例,图1量化分析了太阳能电池系统的能量密度在光伏系统中的详细分布情况。在总功率密度为1 kW/m2的AM1.5太阳光照下,入射光功率密度被分解成不同的成分,包括:器件的透射损耗、反射损耗、减反层损耗、辐射复合损耗、热化损耗、焦耳热损耗、非辐射复合热损耗、表面复合热损耗和Peltier热损耗,最终只有一部分能量转换成了输出功率(202.54 W/m2)。研究团队还基于光电热转换理论,开发了基于有限元算法的全耦合光电热仿真平台,验证了不同过程分配的功率密度之和与输入功率严格匹配,首次阐明了光伏系统能量流动去向问题。

图2 砷化镓太阳电池中不同成分损耗机制和偏置电压的关系(图片来源:Advanced Materials

进一步地,图2表示不同成分的损耗与偏置电压的关系,焦耳热损耗、热化损耗、复合损耗等与偏置电压的关系被量化分析。这对研究微纳光伏器件基本损耗机制,针对性地抑制器件损耗并优化设计器件,提高器件开路电压和转换效率有重要帮助。

此外,基于微纳光伏器件的光耦合光电热分析,还可以得到器件在热学方面的温度响应。将光伏系统的热源分布耦合到热传导方程,并将得到的热力学信息反馈给载流子输运方程从而获取对流降温、辐射降温功率密度以及电池温度变化与偏置电压的关系(如图3(a)和3(b)所示)。由图可知,在最佳工作电压下,器件相应的热辐射和对流造成的损耗也最低,器件的输出功率最大,因此温度处于最低值。

图3 砷化镓太阳能电池中热力学问题分析。(a)对流降温、辐射降温与偏置电压以及(b)电池温度变化与偏置电压的关系(图片来源:Advanced Materials

基于微纳光伏器件的光电热耦合研究揭示了光伏器件中光电、光热和热电相互转换问题;量化了光伏系统中能量的分布,并阐明了能量的流向,为光伏器件设计提供指导。该模型可用于分析光伏器件热力学平衡、温度分布等系列问题。 考虑到多数纳米光子学器件都伴有光电热现象,因此该理论分析方法也适用于针对其它器件(热光伏器件、聚光太阳能电池、热载流子器件、辐射降温器件、金属等离激元器件)的设计分析。

图4 基于微纳光伏器件的光电热耦合研究可应用的器件类型

该研究成果以Photovoltaic Devices: Opto-Electro-Thermal Physics and Modeling为题,发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials [29, 8, 1603492 (2017)]上。李孝峰教授为文章的通讯作者,尚爱雪博士为第一作者。

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603492/full

人物风采
入选名单
联系方式

联系人:方编辑 

Email:obt@siom.ac.cn

电话:021-69918198